Nelle sue innovazioni, Huawei punta sul Wi-Fi 6. Le domande da parte di colleghi e clienti sul nuovo standard ci hanno spinto a scrivere un articolo sui fondamenti teorici e i principi fisici che lo sottendono. Dalla storia passeremo alla fisica, analizzando in dettaglio perché le tecnologie OFDMA e MU-MIMO siano così importanti. Discuteremo anche di come un ambiente fisico di trasmissione dati radicalmente rielaborato abbia consentito di ottenere una larghezza di banda garantita e una riduzione tale dei livelli complessivi di latenza che ora sono paragonabili a quelli delle reti "operatore". E tutto ciò mentre le moderne reti basate sul 5G sono più costose (in media da 20 a 30 volte) rispetto a reti indoor analoghe che utilizzano Wi-Fi 6.
Per Huawei, il tema non è affatto secondario: le soluzioni con supporto Wi-Fi 6 sono tra i nostri prodotti più innovativi del 2020, cui sono state dedicate enormi risorse. Ecco solo un esempio: le ricerche nel campo della scienza dei materiali ci hanno permesso di individuare una lega, il cui utilizzo nei componenti radio delle punti di accesso ha aumentato il rapporto 'segnale - rumore' di 2–3 dB: un riconoscimento speciale a Doron Ezri per questo traguardo.
Un po' di storia
L'industria del Wi-Fi merita di essere tracciata a partire dal 1971, quando presso l'Università delle Hawai, il professor Norman Abramson e un gruppo di colleghi hanno sviluppato, costruito e lanciato una rete wireless di trasmissione dati chiamata ALOHAnet.
Nel 1980, è stato approvato un insieme di standard e protocolli IEEE 802, che descrivono l'organizzazione dei due livelli inferiori del modello di rete OSI a sette livelli. Ci sono voluti ben 17 anni prima del rilascio della prima versione 802.11.
Con l'adozione nel 1997 dello standard 802.11, due anni prima della creazione dell'organizzazione Wi-Fi Alliance, la prima generazione della tecnologia di trasmissione dati wireless più popolare al giorno d'oggi ha fatto il suo ingresso nel grande mondo.
Standard IEEE 802. Generazioni Wi-Fi
Il primo standard effettivamente supportato su larga scala dai produttori di hardware è stato l'802.11b. Come potete vedere, la frequenza delle innovazioni dalla fine del XX secolo è stata abbastanza costante: per cambiamenti significativi serve tempo. Negli ultimi anni, il lavoro principale è stato concentrato sul miglioramento dell'ambiente fisico di trasmissione del segnale. Per comprendere meglio le problematiche attuali del Wi-Fi, torniamo alle sue basi fisiche.
Rivisitiamo le basi!
Le onde radio sono un caso particolare delle onde elettromagnetiche — che si propagano da una sorgente di perturbazione del campo elettrico e magnetico. Sono caratterizzate da tre parametri principali: il vettore d'onda e i vettori di intensità dei campi elettrico e magnetico. Tutti e tre sono mutuamente perpendicolari tra loro. La frequenza dell'onda viene comunemente definita come il numero di oscillazioni ripetitive che avvengono in unità di tempo.
Questi sono fatti ben conosciuti. Tuttavia, per arrivare alla fine, dobbiamo cominciare dall'inizio.
Su una scala condizionale delle frequenze, la banda radio occupa la parte più bassa (a bassa frequenza) dello spettro delle radiazioni elettromagnetiche. Comprende onde elettromagnetiche con frequenza di oscillazione da 3 Hz a 3000 GHz. Tutte le altre bande, compresa quella della luce visibile, hanno frequenze molto più alte.
Maggiore è la frequenza, maggiore è l'energia che può essere trasmessa all'onda radio, tuttavia essa supera con difficoltà gli ostacoli e si attenua più rapidamente. Il contrario è vero anche. Considerando queste caratteristiche, per il funzionamento del Wi-Fi sono state scelte due bande di frequenza principali: 2,4 GHz (banda di frequenza da 2,4000 a 2,4835 GHz) e 5 GHz (bande di frequenze 5,170—5,330, 5,490—5,730 e 5,735—5,835 GHz).
Le onde radio si propagano in tutte le direzioni e, affinché i messaggi non interferiscano tra loro a causa dell'effetto di interferenza, la banda di frequenza è suddivisa in segmenti ristretti — canali di diversa . Nello schema sopra, si può vedere che i canali 1 e 2 vicini con una larghezza di banda di 20 MHz interferiranno tra loro, mentre 1 e 6 non interferiranno.
Il segnale all'interno del canale viene trasmesso tramite onde radio a una determinata frequenza portante. Per trasmettere informazioni, i parametri dell'onda possono essere in frequenza, ampiezza o fase.
Separazione dei canali nelle bande di frequenza Wi-Fi
La banda di frequenza da 2,4 GHz è suddivisa in 14 canali parzialmente sovrapposti di larghezza ottimale di 20 MHz. Un tempo si pensava che questo fosse sufficiente per organizzare una rete wireless complessa. Presto si è scoperto che la capacità della banda si esauriva rapidamente, quindi è stato aggiunto il range di 5 GHz, la cui capacità spettrale è notevolmente superiore. In questo range, oltre ai canali da 20 MHz, è possibile assegnare canali di larghezza 40 e 80 MHz.
Per un ulteriore aumento dell'efficienza nell'uso dello spettro delle radiofrequenze, al giorno d'oggi viene ampiamente utilizzata la tecnologia di multiplexing a divisione di frequenza ortogonale ().
Consiste nell'utilizzare, oltre alla portante principale, anche più portanti secondarie nello stesso canale, permettendo così la trasmissione simultanea dei dati. L'OFDM consente di distribuire il traffico in modo abbastanza conveniente e 'granulare', ma a causa della sua età conserva ancora alcuni svantaggi significativi. Tra questi ci sono i principi di funzionamento del protocollo di rete CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), secondo i quali in determinati momenti su una portante e una portante secondaria può lavorare solo un utente.
Flussi spaziali
Un modo importante per aumentare la capacità di una rete wireless è l'uso di flussi spaziali.
Un punto di accesso ospita diversi moduli radio (uno, due o più) collegati a un certo numero di antenne. Queste antenne trasmettono secondo uno specifico schema e modulazione, e noi riceviamo le informazioni inviate attraverso il mezzo wireless. Un flusso spaziale può formarsi tra un'antenna fisica specifica (modulo radio) del punto di accesso e il dispositivo dell'utente. Grazie a ciò, il volume totale delle informazioni trasmesse dal punto di accesso aumenta in proporzione al numero di flussi (antenne).
Secondo gli attuali standard, nella banda 2,4 GHz è possibile implementare fino a quattro flussi spaziali, mentre nella banda 5 GHz fino a otto.
In passato, quando lavoravamo nelle bande a 2,4 e 5 GHz, ci basavamo solo sul numero di moduli radio. La presenza di un secondo modulo radio offriva una maggiore flessibilità, consentendo ai vecchi dispositivi degli utenti di funzionare sulla frequenza di 2,4 GHz e ai nuovi sulla frequenza di 5 GHz. Con l'introduzione di un terzo e ulteriori moduli radio, sono emersi alcuni problemi. Gli elementi emittenti tendono a interferire tra loro, aumentando il costo del dispositivo a causa della necessità di una progettazione più accurata e di dotare l'access point di filtri di compensazione. Solo di recente è stato possibile mantenere simultaneamente 16 flussi spaziali su un singolo access point.
Velocità pratica e teorica
A causa dei meccanismi operativi dell'OFDM, non siamo stati in grado di ottenere la massima capacità di rete. I calcoli teorici per l'implementazione pratica dell'OFDM risalgono a molto tempo fa e sono stati condotti solo in ambienti ideali, dove ci si aspettava un rapporto segnale-rumore (SNR) abbastanza alto e una probabilità di errore per bit (BER) prevedibile. Nelle attuali condizioni di forte rumorosità delle bande radio che ci interessano, i risultati sulla capacità delle reti basate su OFDM sono sorprendentemente bassi. E il protocollo ha continuato a portare con sé questi difetti fino a quando la tecnologia OFDMA (accesso multiplo a divisione di frequenza ortogonale) non è intervenuta a supporto. Di essa parleremo oltre.
Parliamo di antenne
Come sapete, ogni antenna ha un guadagno, in base al quale si forma il pattern spaziale di diffusione del segnale (beamforming) con una certa area di copertura (escludiamo la riflessione dei segnali, ecc.). Su questo si sono sempre basate le considerazioni dei progettisti riguardo a dove devono essere posizionati i punti di accesso. A lungo, la forma del pattern è rimasta invariata, aumentando o diminuendo proporzionalmente alle caratteristiche dell'antenna.
Gli elementi delle antenne moderne stanno diventando sempre più gestibili e consentono di modificare dinamicamente il pattern spaziale di diffusione del segnale in tempo reale.
A sinistra, nella parte superiore, è mostrato il principio di diffusione delle onde radio utilizzando un'antenna omnidirezionale standard. Aumentando la potenza del segnale, potevamo modificare solo il raggio di copertura, senza la possibilità di influire significativamente sulla qualità dell'uso del canale — KQI (Key Quality Indicators). Questo indicatore è estremamente importante per organizzare la connessione in condizioni di frequente movimento del dispositivo utente in un ambiente wireless.
La soluzione al problema è stata l'implementazione di un gran numero di piccole antenne, il cui carico può essere regolato in tempo reale, creando modelli di diffusione a seconda della posizione spaziale dell'utente.
In questo modo siamo riusciti ad avvicinarci all'implementazione della tecnologia MU-MIMO (Multi-User Multiple Input, Multiple Output). Grazie a questa tecnologia, il punto di accesso può formare flussi di emissione diretti verso i dispositivi degli utenti in qualsiasi momento.
Dalla fisica agli standard 802.11
Con l'evoluzione degli standard Wi-Fi, sono cambiate le modalità operative con il livello fisico della rete. L'uso di meccanismi di modulazione diversi ha reso possibile, a partire dalle versioni 802.11g/n, di inserire un numero significativamente maggiore di informazioni in un singolo slot temporale e, di conseguenza, di gestire un numero superiore di utenti. Questo è stato raggiunto anche grazie all'uso dei flussi spaziali. La nuova flessibilità riguardante la larghezza di banda ha permesso di formare un numero maggiore di risorse per MIMO.
L'anno prossimo è previsto l'approvazione dello standard Wi-Fi 7. Cosa cambierà con la sua introduzione? Oltre al consueto aumento della velocità e all'aggiunta della banda a 6 GHz, ci sarà la possibilità di lavorare con ampi canali aggregati, come 320 MHz. Questo è particolarmente interessante nell'ambito dell'applicazione industriale.
La capacità teorica di Wi-Fi 6
La formula teorica per calcolare la velocità nominale di Wi-Fi 6 è piuttosto complessa e dipende da vari parametri, a partire dal numero di flussi spaziali fino alle informazioni che possiamo inserire nella portante (o portanti, se ce ne sono più di una) in un'unità di tempo.
Come potete vedere, molto dipende dai flussi spaziali. Infatti, in passato, l'aumento del loro numero combinato con l'uso dello STC (Space-Time Coding) e dell'MRC (Maximum Ratio Combining) peggiorava le prestazioni della soluzione wireless nel complesso.
Nuove tecnologie chiave per il livello fisico
Passiamo alle tecnologie chiave per il livello fisico — e iniziamo con il primo livello del modello di rete OSI.
Ricordiamo che nell'OFDM viene utilizzato un certo numero di portanti che, senza interferire l'una con l'altra, possono trasmettere un certo volume di informazioni.
Nell'esempio utilizziamo la frequenza di 5,220 GHz, che ospita 48 sottocanali. Aggregando questo canale, otterremo un numero maggiore di portanti, ciascuna delle quali applica il proprio schema di modulazione.
Nel Wi-Fi 5 si utilizza la modulazione d'amplitude in quadratura 256 QAM (Quadrature Amplitude Modulation), che consente di formare, all'interno della frequenza portante, un campo di 16 x 16 punti, differenziati per ampiezza e fase. Il problema è che in ciascun momento solo una stazione può trasmettere sulla frequenza portante.
Il multiplexing con separazione ortogonale delle frequenze (OFDMA) proviene dal mondo degli operatori di telefonia mobile, si è diffuso insieme al LTE ed è utilizzato per organizzare il downlink (canale di comunicazione verso l'abbonato). Consente di lavorare con il canale a livello di cosiddetti unità di risorse. Queste unità aiutano a suddividere un blocco in un certo numero di componenti. All'interno del blocco, possiamo non lavorare rigorosamente con uno dei singoli elementi trasmittenti (utente o punto di accesso) in ogni momento, ma combinare decine di elementi. Questo consente di ottenere risultati notevoli.
Collegamento semplice dei canali nel Wi-Fi 6
Il bonding dei canali nel Wi-Fi 6 consente di ottenere canali combinati con larghezze da 20 a 160 MHz. Non è necessario che i canali siano nelle bande vicine. Ad esempio, un canale può provenire dalla banda 5,17 GHz e un altro dalla banda 5,135 GHz. Questo permette di costruire un ambiente radio flessibile anche in presenza di forti interferenze o in vicinanza di altre stazioni a emissione continua.
Da SIMO a MIMO
Il metodo MIMO non è sempre stato con noi. In passato, le telecomunicazioni mobili dovevano limitarsi alla modalità SIMO, che prevedeva che la stazione dell'utente avesse più antenne, lavorando simultaneamente per ricevere informazioni.
Il MU-MIMO è progettato per trasmettere informazioni agli utenti utilizzando l'intero parco antenne disponibile. Ciò elimina le limitazioni precedentemente imposte dal protocollo CSMA/CA, relative all'invio di token per la trasmissione ai dispositivi degli utenti. Ora gli utenti si uniscono in gruppi e ogni membro del gruppo riceve la propria porzione delle risorse dell'antenna della rete, anziché aspettare il proprio turno.
Formazione del fascio radio
Una regola importante nel funzionamento del MU-MIMO è mantenere un modo di operare dell'array di antenne che non porti a sovrapposizioni delle onde radio e alla perdita di informazioni a causa dell'interferenza di fase.
Ciò richiede calcoli matematici complessi sul lato dell'access point. Se il terminale supporta questa funzione, il MU-MIMO consente al terminale di comunicare all'access point con quale ritardo riceve il segnale su ogni specifica antenna. L'access point, a sua volta, adatta le proprie antenne per formare un raggio ottimamente direzionato.
Qual è il vantaggio complessivo di questo?
I cerchi bianchi con i numeri nella tabella indicano gli attuali scenari di utilizzo del Wi-Fi delle generazioni precedenti. I cerchi blu (vedi illustrato sopra) descrivono le capacità del Wi-Fi 6, mentre i cerchi grigi rappresentano un futuro prossimo.
I principali vantaggi offerti dalle nuove soluzioni con supporto OFDMA sono legati alle unità di risorse implementate a un livello simile al TDM (Time Division Multiplexing). In precedenza, questo non era presente nel Wi-Fi. Questo consente un controllo preciso della larghezza di banda allocata, garantendo un tempo di propagazione minimo del segnale attraverso il mezzo e il livello di affidabilità richiesto. Nessuno ha dubbi che l'affidabilità del Wi-Fi necessiti di miglioramenti.
La storia si sviluppa a spirale, e la situazione attuale è simile a quella che si è verificata in passato intorno all'Ethernet. Già allora si era affermata la convinzione che l'ambiente di trasmissione CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) non garantisse alcuna larghezza di banda assicurata. E così è continuato fino al passaggio a IEEE 802.3z.
Per quanto riguarda i modelli generali di applicazione, come potete vedere, con ogni generazione di Wi-Fi aumentano gli scenari di utilizzo, sempre più sensibili ai ritardi, alla totale e all'affidabilità.
E di nuovo sull'ambiente fisico
Ora parliamo di come si forma il nuovo ambiente fisico. L'uso di CSMA/CA e OFDM, con l'aumento del numero di punti attivi (Active STA), portava a una notevole diminuzione della larghezza di banda del canale a 20 megahertz. Questo era dovuto alle tecnologie non proprio all'avanguardia di STC (Space-Time Coding) e MRC (Maximum Ratio Combining).
L'OFDMA, grazie all'uso delle unità di risorse, può interagire in modo efficace con stazioni distanti e a bassa potenza. Otteniamo la possibilità di operare in un'unica banda portante con utenti che consumano volumi di risorse differenti. Un utente può occupare un'unità, mentre un altro può occupare tutte le restanti.
Perché prima non c'era OFDMA?
E infine, la domanda principale: perché prima non c'era OFDMA? Stranamente, tutto si riduceva ai soldi.
A lungo si è ritenuto che il prezzo di un modulo Wi-Fi dovesse essere minimale. Quando il protocollo è stato lanciato in commercio nel 1997, è stata decisa una soglia di costo di produzione di un modulo non superiore a $1. Di conseguenza, lo sviluppo della tecnologia ha seguito un percorso non ottimale. Qui non consideriamo l'operatore LTE, dove l'OFDMA è già utilizzato da bastante tempo.
Alla fine, il gruppo di lavoro sul Wi-Fi ha deciso di prendere questi sviluppi dal mondo degli operatori di telecomunicazioni e trasferirli nel mondo delle reti aziendali. L'obiettivo principale è stato quello di passare all'uso di componenti di migliore qualità, come filtri ed oscillatori.
Perché ci è stato così difficile lavorare con le vecchie codifiche MRC, sia con interferenza che senza? Perché il meccanismo di formazione del fascio MVDR (Minimum Variance Distortionless Response) aumentava drasticamente il numero di errori non appena cercavamo di combinare un gran numero di punti di trasmissione. L'OFDMA ha dimostrato che il problema è risolvibile.
La lotta contro le interferenze è ora basata sulla matematica. Se la finestra di trasmissione è abbastanza lunga, le interferenze dinamiche risultanti possono causare problemi. I nuovi algoritmi consentono di evitarle, riducendo l'influenza non solo delle interferenze legate alla trasmissione Wi-Fi, ma anche di qualsiasi altra che si verifichi in questa gamma.
Grazie alla lotta adattativa contro le interferenze, possiamo ottenere un guadagno fino a 11 dB anche in ambienti complessi e eterogenei. L'uso delle soluzioni algoritmiche proprietarie di Huawei ha permesso di ottenere una seria ottimizzazione proprio dove è necessario, nelle soluzioni indoor. Ciò che funziona bene nel 5G non è necessariamente efficace nell'ambiente Wi-Fi 6. Gli approcci Massive MIMO e MU-MIMO differiscono nel caso delle soluzioni indoor e outdoor. Dove richiesto, è opportuno utilizzare soluzioni costose come nel 5G. Ma sono necessari anche altri approcci, come il Wi-Fi 6, in grado di fornire latenze e altre misure che ci aspettiamo dagli operatori di telecomunicazioni.
Adottiamo quegli strumenti che saranno utili per noi come consumatori aziendali, e tutto ciò per garantire un ambiente fisico su cui si può contare.
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Fonte: habr.com
